Διερεύνηση κατασκευής βιο-συμβατής μικρο-βαλβίδας με την μέθοδο της μικρο-στερεολιθογραφίας

Abstract

The main objective of this thesis was to investigate the possibility of creating bio-compatible micro-valves using micro-stereolithography and two photon polymerisation. The methodology followed, incorporated as its first part, the regular, non-destructive investigation of the properties of two acrylate biocompatible photo-curable resins used in photofabrication. The second part was based on the investigation and optimal design of non-return biocompatible micro-valves. The particular valves can be constructed successfully with moving parts that require no assembly at the end of the construction process, through the use of these materials and the technique of micro-stereolithography (μSLA). The third part of the methodology focused on the final construction of the final designs of the micro-valves. More specifically, different geometries were utilised for the micro-structures in general, that require appropriate adjustment of process parameters (such as scanning speed of the material, thickness of solidified energy laser system, etc.) of the production technology which was used for their successful development. Conclusions: • Ormocer®-Ormocomp presents an immediate response to ultraviolet radiation, and develops very high residual strains • The maximum extent of residual strains developed is in the range of 17.000 to 18.000 με which is particularly high when compared with epoxy resins that exhibit residual strains development of about 3.000 to 4.000 με • The mechanical properties of Ormocer®-Ormocomp were determined using three different experimental procedures identifying an average value for the modulus of elasticity of the material of Emean = 1,3 GPa • The first valve design (piston) has a structure that was designed to be constructed with minimal occurrence of stair-step effect • The main advantage of the secondary valve design over the first (structure with internal moving blades) is its strength against high blood pressure stresses that develop in the human veins • After the construction of both valve designs, the best material for this particular application was determined to be the zirconium.

Κύριο στόχο της παρούσας διδακτορικής διατριβής αποτέλεσε η διερεύνηση της δυνατότητας κατασκευής βιο-συμβατών μικροβαλβίδων με τη μέθοδο της μικρο-στερεολιθογραφίας και τη χρήση διφωτονικού πολυμερισμού. Η μεθοδολογία η οποία ακολουθήθηκε είχε ως πρώτο σκέλος τη συστηματική, μη καταστροφική, διερεύνηση των ιδιοτήτων ενός ακρυλικού και δύο βιο-συμβατών φωτοευαίσθητων υλικών. Το δεύτερο σκέλος βασίστηκε στη διερεύνηση και βέλτιστο σχεδιασμό της ανεπίστροφης βιο-συμβατής μικρο-βαλβίδας. Η συγκεκριμένη βαλβίδα δύναται, μέσω της χρήσης των εν λόγω υλικών αλλά και της τεχνικής της μικρο-στερεολιθογραφίας (μSLA), να κατασκευαστεί επιτυχώς με κινούμενα μέρη τα οποία δεν χρήζουν συναρμολόγησης μετά το τέλος της κατασκευαστικής διαδικασίας. Το τρίτο σκέλος της μεθοδολογίας επικεντρώθηκε στην τελική κατασκευή των τελικών σχεδίων των μικρο-βαλβίδων. Πιο συγκεκριμένα, οι διαφορετικές γεωμετρίες οι οποίες και ενσωματώνονται στα σχέδια μικρο-δομών γενικότερα, απαιτούν κατάλληλη ρύθμιση των κατασκευαστικών παραμέτρων (όπως ταχύτητα σάρωσης του υλικού, πάχος στερεοποίησης, ενέργεια συστήματος λέιζερ κλπ.) της εκάστοτε τεχνολογίας ταχείας πρωτοτυποποίησης και παραγωγής η οποία χρησιμοποιείται, ώστε να αναπτυχθούν επιτυχώς. Συμπεράσματα: • H υβριδική ρητίνη Ormocer®-Ormocomp παρουσιάζει άμεση ανταπόκριση στην υπεριώδη ακτινοβολία και αναπτύσσει ιδιαίτερα υψηλές τιμές παραμενουσών παραμορφώσεων • Το μέγιστο εύρος των παραμενουσών παραμορφώσεων τις οποίες αναπτύσσει είναι της τάξεως των 17.000-18.000 με, οι οποίες είναι ιδιαίτερα υψηλές σε σχέση με τις εποξειδικές ρητίνες οι οποίες παρουσιάζουν παραμένουσες παραμορφώσεις της τάξεως των 3.000-4.000 με • Οι μηχανικές ιδιότητες της Ormocer®-Ormocomp καθορίστηκαν με τη χρήση τριών διαφορετικών πειραματικών διαδικασιών και οδήγησαν στον προσδιορισμό μίας μέσης τιμής για το μέτρο ελαστικότητας του υλικού της τάξεως του Emean = 1,3 GPa • Το πρωτεύον σχέδιο της βαλβίδας (εμβολοφόρος) αποτέλεσε μία δομή η οποία σχεδιάστηκε ώστε να κατασκευάζεται με τη λιγότερη δυνατή εμφάνιση του φαινομένου των σκαλοπατιών (stair-step effect) • Οι τομείς στους οποίους δύναται να συνοψιστεί η υπεροχή του δευτερεύοντος σχεδίου (δομή με εσωτερικά κινούμενα πτερύγια) είναι η αντοχή της κατασκευής υπό την άσκηση των πιέσεων των ροϊκών πεδίων που αναπτύσσονται μέσα στις φλέβες • Μετά την κατασκευή και των δύο σχεδίων της βαλβίδας, καλύτερο υλικό για το σκοπό αυτό, αποτέλεσε το Ζιρκόνιο.